详情

原文传递人、车行横通道装配式波纹钢衬砌结构力学行为研究

论文题名：	人、车行横通道装配式波纹钢衬砌结构力学行为研究
关键词：	隧道横通道;装配式波纹钢衬砌结构;力学行为;竖向荷载
摘要：	随着隧道修筑工艺、技术的不断进步以及隧道运营管理的需要，迫切需要一种新型的隧道衬砌结构以及相应的施工工艺来提高隧道工程的质量、加快修建速度、降低隧道建设成本以及改善施工环境。由于装配式波纹钢板的具有良好的力学性能和施工的高效性，近些年来已开始应用于公路桥涵以及地下综合管廊和明挖隧道等地下构筑物之中。　　作为主隧道之间的联络通道，由于其断面相对较小，采用装配式结构衬砌可以改善施工环境、提高施工效率，实现施工技术的装配化、标准化，因此开展装配式衬砌结构研究是很有意义的。　　基于此背景，本论文拟对装配式波纹钢板结构作为隧道横通道的衬砌结构，开展人、车行横通道装配式波纹钢衬砌结构的力学行为研究。针对单一特定荷载下、不同竖向荷载下、不同装配式波纹钢板的尺寸、不同的隧道埋深以及不同围岩等级条件下衬砌结构的受力特性等工况进行了研究，并利用机器学习的方法对装配式波纹钢衬砌结构的力学行为结果参数进行了预测。本文主要研究内容和成果如下：　　（1）通过分析波纹钢板的特性以及波纹钢管涵（桥涵）结构与土的相互作用理论，阐述了波纹钢板作为柔性结构，其作用机理在于波纹钢结构与周围土体的变形相互影响、相互联系：在土压力作用下，波纹钢结构截面产生变形，从而挤压周围土体，同时土体产生弹性抗力，约束波纹钢结构的变形，随后使得整个周围土体土压力分布均匀化，减少了整个结构的弯矩，提高了承载能力以及屈曲稳定性。　　（2）通过数值模拟研究了装配式波纹钢衬砌结构在 100KPa的特定竖向荷载作用下的受力特性，分别分析了整个结构的环向应力、轴向应力和 Mises 等效应力的变化规律，以及结构在波峰、波中和波谷位置处的应力变化规律；同时分析了装配式波纹钢衬砌结构的变形特性，包括结构的竖向位移和水平位移变化规律，以及波峰、波中和波谷位置处的位移变化规律。　　（3）针对不同竖向荷载对整个装配式波纹钢衬砌结构力学特性的影响，分析了不同大小的竖向荷载作用下装配式波纹钢衬砌结构的环向拉应力和环向压应力的变化规律，以及整个结构的竖向位移和水平位移变化规律。　　（4）研究了4种不同波形的装配式波纹钢衬砌结构的受力特性，分别分析了波距-波高以及波厚对整个结构受力和变形的影响，结果显示：隧道车行横通道中，波形为380 mm×140 mm、200 mm×55 mm在竖向荷载作用下变形性能较好，隧道人行横通道中，四种波形的装配式波纹钢衬砌结构受力和变形性能均较好；综合发现在装配式波纹钢衬砌结构的厚度小于 10mm 时，增加波纹钢板的厚度能够有效的控制整个结构的内力和变形，在实际的工程中，应根据实际情况选择合适的波纹钢板的厚度。　　（5）研究了装配式波纹钢衬砌结构在不同围岩条件下的受力特性，结果表明：Ⅲ级围岩条件下，隧道车行横通道装配式波纹钢衬砌结构在隧道埋深 30m以内均具有较好的适用性；Ⅳ级和Ⅴ级围岩条件下，隧道车行横通道装配式波纹钢衬砌结构分别在隧道埋深25m和20m以内，装配式波纹钢板单独作为隧道车行横通道衬砌结构具有较好的适用性，埋深分别超过25m和20m，就需要在拱脚部位的不利位置进行加强处理，以保证整个结构的安全性。隧道人行横通道装配式波纹钢衬砌结构在Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下以及隧道埋深 30m 以内均具有较好的适用性。　　（6）采用机器学习的方法，预测了装配式波纹钢衬砌结构数值模拟力学行为结果参数的实效性，结果显示：隧道车行横通道中，最大竖向位移量 Dmax 的预测模型误差最小，预测模型准确度最高；隧道人行横通道中，最大竖向位移量Dmax和最大环向应力值Smax的预测模型误差均很小，预测模型的准确度很高，总体来讲隧道人行横通道的预测结果要优于隧道车行横通道。
作者：	陈林冲
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	梁波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023